El descubrimiento del bosón de Higgs, anunciado el 4 de julio de 2012 en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), fue el resultado de décadas de trabajo por parte de los ingeniosos físicos a cargo del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y de miles de físicos experimentales de los experimentos ATLAS y CMS, que construyeron y ahora operan los detectores.

También diseñaron y ahora gestionan un sistema informático que distribuye datos por todo el mundo, crearon novedosos hardware y software para identificar las colisiones más interesantes y escribieron los algoritmos que extraen los eventos más pertinentes de las grandes cantidades de datos registrados. Todos trabajaron febrilmente, contribuyendo enormemente al descubrimiento.

Lo que sigue es la historia de mi propia experiencia personal del descubrimiento. Otros grupos de investigación dentro de las colaboraciones ATLAS y CMS observaron el mismo resultado, con la misma emoción. También tienen historias de éxito que contar.

Partículas producidas por una colisión de protones en la búsqueda del bosón de Higgs. ©CERN

En 1974, como investigadora postdoctoral en el grupo de Samuel Ting, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), participé en el descubrimiento de la partícula, que proporcionó la primera evidencia experimental del quark. Tres años después, como profesora asistente en la Universidad de Wisconsin–Madison, me uní a la colaboración TASSO en el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY). En 1979 lideré el esfuerzo para descubrir el gluón a través de eventos de tres jets. Esta fue la observación del primer bosón de gauge no abeliano de Yang–Mills.

Curiosamente, la publicación de 1974 sobre el descubrimiento de la partícula sólo tuvo 14 autores y el descubrimiento del gluón del grupo TASSO, en 1979, tuvo 88. En cambio, el artículo de 2012 sobre el descubrimiento del Higgs por la colaboración ATLAS tuvo 3 mil 172 autores. La dinámica de trabajo, el proceso de toma de decisiones y la asignación de créditos fueron considerablemente diferentes y proporcionalmente más complicados y difíciles.

Encontrar el bosón de Higgs fue el resultado de décadas de trabajo.

En 1985, mi grupo experimental y yo tomamos la importante decisión de mudarnos de DESY a CERN, donde yo ya trabajaba con el experimento ALEPH. El traslado nos permitiría concentrarnos en la búsqueda experimental de la partícula de Higgs, que se propuso teóricamente pero aún no se había observado. Debo admitir que en ese momento no pensé que tomaría otros 27 años encontrarla. En 1993, mi grupo se convirtió en el primero de EE.UU. en unirse a la colaboración ATLAS en el LHC.

La alegría

Permítanme comenzar mi historia del descubrimiento del Higgs citando el artículo Chasing the Higgs (en busca del Higgs), de Dennis Overbye en la edición del 5 de marzo de 2013 del New York Times:

“La tarea de confirmar finalmente el descubrimiento del bosón había sido encomendada a otro par de estudiantes de posgrado, Haoshuang Ji, un estudiante de Wisconsin, y Aaron Armbruster de la Universidad de Michigan […]. Ambos trabajaban para combinar todos los datos del Higgs de todas las maneras posibles en que podría desintegrarse y dejar un rastro en los detectores. […]

“En la tarde del 25 de junio, el Sr. Ji anunció que había obtenido un resultado de 5.08 sigma, provocando vítores en el pasillo fuera de la oficina de la Dra. Wu; todos corrieron a firmar la impresión. Al día siguiente, el Sr. Armbruster llegó al mismo resultado. ATLAS estaba en 5-sigma.”

Esta fecha del 25 de junio de 2012 fue realmente emocionante. A las 3:00 pm hubo conmoción en el pasillo de Wisconsin en la planta baja del Edificio 32 del CERN. Mi estudiante Haichen Wang decía en voz alta: “¡Haoshuang va a anunciar el descubrimiento del Higgs!”. Nuestra primera reacción fue que era una broma; así que cuando entramos en la oficina de Haoshuang, todos sonreíamos. Esas sonrisas se volvieron mucho más grandes cuando pudimos ver el resultado de la combinación de Haoshuang: mostraba el 5.08 sigma cerca de la masa del Higgs de 125 GeV/c2. Muy pronto, los vítores resonaron por el pasillo de Wisconsin.

¡ATLAS había hecho un descubrimiento! Alguien dijo: “¡Dios mío, esto es real!” Haichen grabó la emoción. Hicimos una copia grande del gráfico de la señal del Higgs, y todos los miembros de mi grupo la firmaron. Este documento firmado ahora se exhibe en la pared del pasillo de Wisconsin en el CERN.

El artículo de 2012 sobre el descubrimiento del Higgs tuvo 3,172 autores.

En medio de los vítores, el historiador de la ciencia Michael Riordan me visitaba a mí y a mi grupo de Wisconsin. Estaba descansando en la oficina de mi postdoctorado Luis Flores Castillo en el pasillo de Wisconsin en el CERN y fue despertado por los gritos. Más tarde me escribió: “Nunca olvidaré despertar en tus oficinas del CERN de mi estupor inducido por el jetlag ante los gritos de alegría en la habitación de al lado.”.

Rolf Heuer, entonces director general del CERN, recibía informes constantes por separado sobre el progreso de las colaboraciones ATLAS y CMS. La planificación del anuncio se concretó en una semana. La idea original era hacer público el descubrimiento en Melbourne, Australia, el 4 de julio de 2012, el primer día de la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP). Sin embargo, dado que los experimentos estaban ubicados en el CERN, se decidió anunciar el resultado desde Ginebra, así que se organizó un simposio especial en el auditorio del CERN la mañana del 4 de julio.

El día del anuncio, el auditorio del CERN estuvo cerrado hasta las 9:00 am. Físicos y estudiantes durmieron afuera del auditorio la noche anterior para asegurarse un lugar en el interior. Uno de mis estudiantes de posgrado me guardó un lugar y me llevó al auditorio. El portero me reconoció, y ambos entramos. Terminé sentándome no muy lejos de Peter Higgs.

La celebración

Higgs, François Englert, Gerald Guralnik y Carl Hagen, cuyo trabajo teórico condujo al descubrimiento, entraron al auditorio entre una ovación de pie. Otro importante contribuyente a la teoría, Robert Brout, lamentablemente ya había fallecido.

Las colaboraciones ATLAS y CMS mostraron gráficas preliminares en el simposio especial del CERN. Las mismas figuras se mostraron en la conferencia ICHEP en Melbourne. Tanto ATLAS como CMS presentaron sus significancias finales, obtenidas combinando todos sus canales de desintegración, con ATLAS obteniendo 5σ y CMS 4.9σ.

Justo después de las presentaciones, Heuer declaró: “Creo que lo tenemos… Hemos encontrado la piedra angular que faltaba de la física de partículas. Hemos hecho un descubrimiento. Hemos observado una nueva partícula que es consistente con un bosón de Higgs”.

Fui a estrechar la mano a Peter Higgs. “Te he estado buscando durante más de 20 años”, le dije. 

Al final del simposio, fui a estrechar la mano a Peter Higgs. “Te he estado buscando durante más de 20 años”, le dije. De hecho, me llevó 32 años, desde 1980 hasta 2012. Y siempre atesoraré su respuesta: “Ahora me has encontrado”.

El descubrimiento del Higgs cautivó la imaginación de la prensa de todo el mundo. Peter Higgs apareció destacado en la portada del New York Times del 5 de marzo de 2013, junto con cuatro físicos de ATLAS y CMS. Fue un honor ser uno de ellos. Más tarde ese año, Englert y Higgs fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Con Riordan y el ex portavoz de CMS Guido Tonelli, escribí el artículo El Higgs por fin, que se publicó en el número de octubre de 2012 de Scientific American y en una edición especial de la revista al año siguiente. “Después de décadas de estancamiento, la disciplina está revitalizada una vez más por la embriagadora relación entre la teoría y el experimento”, escribimos. “Abundan las preguntas que pueden encontrar respuestas a través de investigaciones adicionales sobre esta fascinante partícula o sus posibles compañeras”.

Como es típico de cualquier descubrimiento importante, el descubrimiento experimental de la partícula de Higgs tendrá importantes consecuencias para nuestra comprensión de la física fundamental. Todos tenemos nuestras propias ideas sobre cuáles podrían ser las consecuencias más importantes, y ahora las estamos persiguiendo diligentemente.

Una gran pregunta que inmediatamente me viene a la mente es el problema de la masa. El avance generado por el descubrimiento del Higgs fue que las partículas elementales adquieren sus masas a través de la partícula de Higgs. Una pregunta más profunda que necesita respuesta es cómo explicar los valores de las masas individuales de las partículas elementales. En mi opinión, este problema de la masa sigue siendo un tema importante a explorar en los años venideros.

*Texto traducido y adaptado de la edición de Physics Today, conmemorando los 10 años del descubrimiento. https://doi.org/10.1063/PT.6.4.20220630c